電梯制動(dòng)器上一顆螺栓斷裂引起的探討

譚子安

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院江門檢測(cè)院，廣東江門 529000）

0 引言

電梯作為建筑物、設(shè)施甚至設(shè)備的垂直軌道交通設(shè)備，使用越來(lái)越廣泛，增長(zhǎng)速度迅猛，電梯安全也成為大眾關(guān)注的問(wèn)題。在廣大特種設(shè)備安全監(jiān)察部門、檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)安裝維保單位的共同努力下，全國(guó)的電梯安全事故呈逐年下降，而曳引與強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電梯發(fā)生死亡事故更低。但業(yè)內(nèi)不要掉以輕心，電梯故障引起的困人、火災(zāi)、傷人事故仍時(shí)有發(fā)生。

1 問(wèn)題的提出

相關(guān)從業(yè)人員應(yīng)對(duì)電梯的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、維保、檢驗(yàn)等各環(huán)節(jié)都有相當(dāng)了解，小至一顆螺栓，如果不加以重視，都可能引發(fā)重大事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近一段時(shí)間，某著名品牌電梯的制動(dòng)器發(fā)生多起抱閘的頂推螺栓斷裂問(wèn)題。其造成的后果是導(dǎo)致制動(dòng)器抱閘抱死，電動(dòng)機(jī)過(guò)載燒毀和釀成火災(zāi)；或抱閘閘瓦嚴(yán)重磨損，轎廂制動(dòng)失效，導(dǎo)致溜車沖頂或撞底事故。據(jù)了解，發(fā)生故障的基本是同一類型的無(wú)齒輪永磁同步曳引機(jī)的制動(dòng)器（圖1），如此高的發(fā)生率，引起了業(yè)內(nèi)的重視，仔細(xì)研究和分析檢驗(yàn)過(guò)程中收集到的斷裂螺栓樣本（圖2），將得出的觀點(diǎn)與大家分享。

2 分析及論據(jù)

2.1 破壞特征

結(jié)合頂推螺栓的工作狀況，收集到的這2 個(gè)樣本是同一時(shí)期出廠、同一型號(hào)的曳引機(jī)，根據(jù)工作循環(huán)次數(shù)（電梯每次起動(dòng)到停車為一個(gè)工作循環(huán)），每個(gè)循環(huán)推定螺栓都是受到電磁鐵沿螺栓軸心方向向外的頂推力。而在這個(gè)力作用過(guò)程中，既有推力又有因機(jī)構(gòu)造成的分力，推力大部分是沿螺栓軸心方向的壓力，一小部分為推力與螺栓軸心不同心產(chǎn)生的分力，正是這個(gè)分力在工作過(guò)程中對(duì)螺栓造成沖擊動(dòng)載，是螺栓斷裂的源頭。到頂推螺栓斷裂時(shí)，為4～5×105次，在沒(méi)有外來(lái)因素的影響，基本可以從高周（交變載荷循環(huán)次數(shù)≥105）疲勞破壞造成的斷裂進(jìn)行考慮分析。

圖1 故障制動(dòng)器的抱閘頂推螺栓機(jī)構(gòu)

圖2 斷裂的頂推螺栓

疲勞破壞：當(dāng)材料和結(jié)構(gòu)受到多次重復(fù)變化的載荷作用后，應(yīng)力值雖然始終沒(méi)有超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞，這種在交變載荷重復(fù)作用下材料和結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象，叫做金屬的疲勞破壞。

疲勞破壞的特征：疲勞破壞應(yīng)力遠(yuǎn)比靜載荷下材料的抗拉強(qiáng)度低，甚至比屈服強(qiáng)度低得多。零件疲勞破壞可分為3 個(gè)階段：①初始微觀裂紋階段；②宏觀裂紋擴(kuò)展階段，裂紋基本上沿著與主應(yīng)力垂直的方向擴(kuò)展；③瞬時(shí)斷裂階段。當(dāng)裂紋擴(kuò)大到使物體殘存截面不足以抵抗外載荷時(shí)，物體就會(huì)在某一次加載下突然斷裂。對(duì)應(yīng)于疲勞破壞的3 個(gè)階段，在疲勞宏觀斷口上出現(xiàn)有疲勞源（初始裂紋）、疲勞裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂3 個(gè)區(qū)（圖3）。

根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí)，金屬疲勞破壞斷口微觀形貌特征分為延性疲勞輝紋和脆性疲勞輝紋。延性疲勞輝紋特征是疲勞條痕連續(xù)、向一個(gè)方向彎曲成波浪形，其對(duì)應(yīng)的是塑性材料的高周疲勞斷裂；脆性疲勞輝紋特征是沒(méi)有或很少有塑性變形、裂紋沿解理平面擴(kuò)展，其對(duì)應(yīng)的是脆性材料的疲勞斷裂。金屬材料的塑性和脆性是相對(duì)的，根據(jù)材料的延伸率（δ）來(lái)判斷，δ 是材料在拉伸斷裂后，總伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比。工程上常將δ≥5%的材料稱為塑性材料，δ＜5%的材料稱為脆性材料。

分析樣本1 和樣本2 的斷口：樣本1 的斷口具有典型的延性疲勞輝紋特征，可判斷該螺栓的材料為塑性材料；樣本2 的斷口應(yīng)是脆性疲勞輝紋特征，判斷其材料為脆性材料。這2 個(gè)樣本應(yīng)該是同一批次生產(chǎn)或采購(gòu)的，2 個(gè)樣本的六角頭都沒(méi)有螺栓性能等級(jí)的標(biāo)記（圖4），一般沒(méi)有標(biāo)等級(jí)的螺栓只能將它作為低等級(jí)螺栓，如4.8 級(jí)。

圖3 斷裂的頂推螺栓斷口

圖4 螺栓頭沒(méi)有等級(jí)標(biāo)記

經(jīng)過(guò)對(duì)2 個(gè)樣本的初步分析已基本得出結(jié)論：同一批次的螺栓材料硬度不一致，螺栓性能等級(jí)低，結(jié)論是螺栓質(zhì)量差。

2.2 受力分析

根據(jù)曳引機(jī)上制動(dòng)器推頂螺栓的裝配，推頂螺栓是與抱閘動(dòng)臂通過(guò)螺紋連接，再用緊固螺母進(jìn)行緊固，以防止螺栓在動(dòng)載作用下松動(dòng)，那么推頂螺栓的疲勞載荷應(yīng)力就存在一個(gè)因素：緊固力。

推頂螺栓在裝配過(guò)程中應(yīng)該按照裝配工藝卡要求的緊固力進(jìn)行緊固，而且不同性能級(jí)別的螺栓預(yù)緊力也是不同的，低級(jí)別的預(yù)緊力比高級(jí)別的低，因?yàn)榈图?jí)別的螺栓公稱抗拉強(qiáng)度比高級(jí)別的低。如果裝配過(guò)程沒(méi)有嚴(yán)格遵守工藝卡要求執(zhí)行，或在使用過(guò)程中維保人員擅自另行緊固，那么緊固力就不能得到保障，需考慮過(guò)大的緊固力是否會(huì)造成螺栓的疲勞斷裂。分析螺栓的斷口位置，排除了這種可能性。因?yàn)槿绻蔷o固力造成的，斷口位置應(yīng)該在緊固螺母的緊固面位置，即圖5 位置1，而實(shí)際斷口是在圖5 位置2。

推頂螺栓在圖5 位置2 斷裂，是受制動(dòng)線圈頻繁動(dòng)作的推力沖擊和其產(chǎn)生的彎矩共同高周作用造成。從圖中可以看出螺栓的端部是弧形面，作用點(diǎn)（面）偏離軸心，而且與裂紋開始區(qū)幾乎是在經(jīng)過(guò)軸心180°位置，結(jié)合其工況為高周工作的特性，有理由判斷是推力產(chǎn)生的彎矩參與其中。

圖5 螺栓斷口位置

另一個(gè)主要因素是制動(dòng)線圈頻繁動(dòng)作的推力，會(huì)使沒(méi)有防松措施的預(yù)緊螺母松動(dòng)，從而在松動(dòng)的螺牙間隙間產(chǎn)生沖擊，首當(dāng)其沖就是位置2 的端面螺牙。沖擊力為制動(dòng)線圈動(dòng)作產(chǎn)生的推力，一般都達(dá)到幾十千克，產(chǎn)生的動(dòng)量轉(zhuǎn)化成沖擊力的大小與力的作用時(shí)間有關(guān)，作用時(shí)間越短，產(chǎn)生的沖擊力就越大。雖然很難進(jìn)行測(cè)定，但從沖擊力的角度看，沖擊力公式為mv=Ft，即物體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量mv 轉(zhuǎn)化成沖量Ft。在經(jīng)歷一定的重復(fù)動(dòng)作后，緊固螺母最終松動(dòng)，這時(shí)沖擊速度v 與螺栓的松動(dòng)間隙成正比，隨著螺栓的松動(dòng)間隙不斷累積增加，沖擊力F 也在不斷增大。沖擊力F 的增大又進(jìn)一步導(dǎo)致螺栓的松動(dòng)間隙進(jìn)一步增大，而螺栓間隙的增大導(dǎo)致沖擊力F 進(jìn)一步增大，直至螺栓斷裂。

從沖擊動(dòng)能的角度分析，由S＇=1/2at2可得a=2S＇/t2，其中S＇為松動(dòng)間隙，則v=at=2S＇/t。由此可見(jiàn)，在沖擊作用時(shí)間t 不變的情況下，沖擊速度v 與螺栓的松動(dòng)間隙S＇成正比增大。沖擊動(dòng)能公式為E=1/2mv2，當(dāng)螺栓松動(dòng)間隙S＇增加時(shí)，沖擊速度v 也隨之增大，沖擊動(dòng)能E 呈平方次增加并且釋放在螺栓上，導(dǎo)致螺栓斷裂。

綜上分析，如果螺栓不松動(dòng)，松動(dòng)間隙為零，則沖擊力F 和沖擊動(dòng)能E 都為零，螺栓就不會(huì)斷裂。螺栓因沖擊力的作用而發(fā)生斷裂，其過(guò)程也是螺栓先產(chǎn)生微裂紋，隨著沖擊力的不斷增大、沖擊動(dòng)能的釋放，裂紋逐漸增大，直至螺栓斷裂。這種斷裂的過(guò)程和人們分析的疲勞斷裂的過(guò)程恰恰是相同的。

3 總結(jié)

該類型電梯曳引機(jī)的制動(dòng)器的抱閘的頂推螺栓發(fā)生多起斷裂的案例，歸納有以下兩方面的原因。

（1）主因是螺栓質(zhì)量差。該批曳引機(jī)制動(dòng)器的推頂螺栓存在質(zhì)量問(wèn)題，后來(lái)該廠家在該螺栓上加套筒以加強(qiáng)剛性，效果一般；換成性能等級(jí)8.8 的螺栓，至今未斷裂。其他廠家的曳引機(jī)制動(dòng)器的推頂螺栓也是采用性能等級(jí)8.8 的螺栓。

（2）另一個(gè)因素是疲勞破壞。受制動(dòng)線圈頻繁動(dòng)作的推力沖擊和其產(chǎn)生的彎矩共同進(jìn)行高周作用，造成疲勞破壞。也正是螺栓質(zhì)量差，所以同樣結(jié)構(gòu)、同樣工況，該品牌電梯制動(dòng)器的推頂螺栓就容易發(fā)生斷裂。